Noyaux et Particules S. Ong (UPJV et IPN Orsay) Chapitre 1 Bref historique et Caractéristiques générales du Noyau ( Les photos illustrées dans ce chapitre sont extraites de la Photothèque de l’IN2P3/CNRS)

A. Bref historique Depuis les expériences de collision de Rutherford (1911), la structure de l’atome est bien comprise. L’atome est composé d’un noyau dont le diamètre est de l’ordre de fermi (1F=10^-13 cm) entouré d’électrons. Le diamètre de l’atome est de l’ordre de 10^-8 cm. Le noyau est constitué de nucléons qui sont des neutrons (particule neutre, Chadwick 1932) et des protons (particule chargée positivement). La Physique nucléaire proprement dite, appelée également physique de basse énergie, traite la structure du noyau et les forces nucléaires. La Physique des hautes énergies ou physique des particules élémentaires étudie les structures des particules et leurs interactions.

On peut caractériser un noyau par le nombre de masse A (nombre de nucléons) et de son numéro atomique Z (nombre de protons), le nombre de neutrons N=A-Z. En admettant la forme sphérique du noyau, son rayon peut s’écrire sous la forme R=r A^(1/3) où r =1,3 F est le rayon d’un nucléon. Avec la célèbre relation d’Einstein E=mc^2, on peut exprimer les masses des particules en unité d’énergie : masse de l’électron=0,511 MeV/c2 masse du proton =938,28 MeV/c2 masse du neutron =939,57 MeV/c2 1 MeV= 10^6 eV et 1eV=1,6 10^-19 Joules

Les différents ordres de grandeur Les différents ordres de grandeur. Du microscope électronique aux accélérateurs de particules

B. Sonder la structure intime de la matière Pour localiser un objet aussi petit que le noyau,on réalise des collisions entre les particules projectiles et les noyaux cibles en exploitant l’aspect ondulatoire des particules. En effet, la relation de De Broglie dans le cadre de la mécanique quantique, permet de relier l’impulsion de la particule à la longeur d’onde de matière associée:

Par analogie avec les phénomènes de diffraction en Optique, On doit disposer d’accélérateurs de particules de plus en plus puissants pour sonder des particules cibles de plus en plus petites. Énergie d’un électron longueur d’onde 1 electronV(eV) 1 kiloeV (keV) 1 gigaeV (GeV) 1,2 nanomètre 39 picomètres 1,2 femtomètre

Système d’étiquetage du faisceau de photons à GRAAL (ESRF à Grenoble)

Expérience A4 de violation de la Parité à Mayence en Allemagne (photo propre de la collaboration A4)

Détecteur CMS pour le LHC au CERN

Evènements observés avec le détecteur DELPHI du LEP au CERN

Le moment cinétique intrinsèque (spin I) du noyau est une quantité importante pour les propriétés dynamiques du noyau. Les neutrons et les protons sont des particules de spin ½ comme les électrons. Expérimentalement, on observe que les noyaux complexes ont des moments cinétiques entiers ou demi-entiers (addition des moments cinétiques). Par exemple pour les noyaux pair-pair, J=0 et la parité est positive. Dans certains cas, on peut déterminer le moment cinétique du noyau à partir des spectres atomiques ou moléculaires. En général, c’est la Loi de conservation du moment cinétique total qui permet la détermination de I.

Peut-on mesurer les masses aussi petites Peut-on mesurer les masses aussi petites ? On peut comprendre que c’est une mesure indirecte. L’étude des masses atomiques est liée au développement de la physique nucléaire. Les spectrographes et spectromètres de masse sont des exemples d’appareils utilisés pour ces mesures. L’ étude des réactions nucléaires et des désintégrations est aussi un moyen utilisée pour déterminer ces masses. Les résultats compatibles des différentes voies démontrent l’équivalence masse-énergie d’Einstein. En physique des hautes énergies, on reconstruit par exemple, la masse invariante d’une résonance à partir de ses produits de désintégration, d’où l’utilisation des détecteurs de plus en plus sophistiqués. En guise de conclusion de ce chapitre, nous mentionnons le problème lié à l’origine de la masse des particules. Même dans le modèle standard, les masses des quarks constituants élémentaires, apparaissent comme des paramètres libres. La recherche expérimentale actuelle, avec le futur accélérateur LHC du CERN, est orientée vers la recherche du boson de Higgs dont l’interaction avec les fermions génère la masse de ces fermions.